快速模具网络化制造服务平台的研究与开发

作者：兰红波 丁玉成 洪军 卢秉恒

欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 摘要：本文提出并建立了快速模具网络化制造服务平台。该平台以快速发展的计算机网络和信息技术为支撑工具，通过在远程用户、服务中心和协同制造企业建立一个协同生产制造的环境，实现制造资源的共享和技术资源的优势互补，缩短了模具的生产制造周期。众多的案例研究表明该系统对提高中小企业新产品的快速开发具有很大的潜能。 关键词：计算机应用；服务平台；系统集成；快速模具 0 前言 制造业竞争已经走过了价格、质量为主的时期，90年代以后对商业机遇的响应速度成为竞争的第一要素。模具是影响新产品快速开发的关键因素。基于RP的RT技术由于技术集成度高，由数字原型到物理原型转换速度快，与采用传统数控技术制造模具相比，制造周期仅为前者1/10~1/3，生产成本为前者1/5~1/3。因而，基于RP的快速模具制造已成为当前模具制造业的热点，并被广泛的研究和应用。该技术被美国汽车工程杂志评为全球15项重大技术之首，受到全球制造业的广泛关注。因为快速模具制造需要RE，CAD，CAE，RP，RT等设备和专业技术的支持。而RP&M中的RE，RP，RT设备投资大，同时对企业技术人员的素质要求较高。一般中小企业很难投资建立全线的新产品的快速开发系统。于是一批专门为客户制作RP原型和RT模具的服务中心就应运而生了，但是各个中心很难完全拥有全线的快速开发技术，一般仅有该项技术中的部分技术资源，另外具有这种技术的生产力中心国内也仅有十几家，因此也就决定了国内企业大部分的新产品快速开发是通过异地完成的，传统的异地开发模式（人员流动、图纸流动、产品流动）会使新产品快速开发技术不具有快速、低成本的优点，限制了RP&M技术优势的发挥。 当前，一种全新的思维—强调服务质量的鲁棒工程，正在成为制造企业在21世纪赢得全球竞争的基本战略，这就要求制造企业加强对“服务”问题的研究，也就是在数字化制造技术迅速发展的同时，必须将数字化服务无缝地集成到企业的设计和制造环境中。所以，研究和开发了快速模具网络化制造服务平台。 1 快速模具集成制造系统的组成 基于RE/CAD/CAE/RP/RT快速模具开发制造系统由3个原型子系统组成：数字原型、物理原型和快速模具制造系统。数字原型的主要功能是快速构建三维实体的数字模型。如果是进行模具的创新设计，使用Pro/Engineer，Unigraphics或Solidworks等三维CAD软件，直接构造三维数字模型。如果是实物模型，采用反求工程（RE），获得三维CAD模型。所谓反求工程就是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。 通过反求工程构建三维CAD数字模型的步骤是： ① 实物的三维离散采样； ② 数据的预处理； ③ 三维曲面重构； ④ CAD模型的检查与修正。 三维坐标点采集和三维曲面的重构是反求工程的关键技术。三维数据采集的方法主要有：三坐标测量法（CMM）、激光扫描法、工业CT、核磁共振法（MRI）和层去图像法。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法应根据被测物体的形状特征、精度要求和应用目的来决定。获得实物的数字模型后，即可在三维CAD软件中对数字模型进行修改或再设计。无论是创新设计还是通过实物反求获得的CAD模型，均以STL格式输出，作为快速成型的输入。快速成型是80年代后期发展起来的一种全新先进制造技术，它集CAD技术、数控技术、激光技术、新材料技术等于一身，在计算机的控制下通过材料累加方法直接将CAD数字模型快速生成三维实体模型，被认为是近20年来制造领域的一次重大突破。它不同于传统的去除成形，而是基于离散/堆积原理，直接将三维数字原型转换成物理原型。它最大的特点是可以快速制造出任意复杂形状的物理原型。 目前，快速成型已发展了十几种工艺方法，其中比较成熟并已商品化的方法主要有：光固化立体成型（SL）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、叠层实体制造（LOM）、三维打印（3DP）等。快速模具是在RP技术基础上发展起来的一种新型模具制造技术，它可大大减少模具的生产成本和制造周期。基于RP的快速模具制造一般有直接法和间接法两种。直接制模法是采用RP技术直接制作模具，主要有SLS，LG，PDM和3DP等方法。间接制模是以RP原型作为样件间接制造模具的方法，根据所用材质不同，间接制模法可分为制作软制模具和硬制模具两大类，每一类又有不同的方法。细的又分解为硅橡胶制模、环氧树脂制模、电铸制模、金属喷涂制模、基于RP的精密铸造（陶瓷模、消失模、溶模、石膏模）及石墨电极研磨EDM制造钢模等方法。 2 服务平台的工艺流程及其功能设计 快速模具网络化制造服务平台的工艺流程是：远程用户登录到服务中心的WWW门户网站，通过服务平台注册以后向服务中心提交其制造任务请求，服务中心对远程用户的任务进行分析，以确定是进行咨询服务，还是进行制造服务。如果是进行制造服务，服务平台将启动工艺规划器对该任务进行工艺规划，并根据工艺规划的结果进行生产成本的计算和生产制造周期的预估，通过远程报价系统给用户初步的报价。 经用户初步确认后，即可与服务中心进行在线或离线商务洽谈，如果合同未成交，则将客户的信息存入客户关系管理模块中（CRM），成为潜在用户。如果合同成交，则启动电子商务平台中的电子合同管理模块，进行正式合同的签订，并将用户的信息存入CRM中，成为正式客户。对于正式客户的制造任务，平台将进行制造任务的分析，根据工艺规划器对该任务分析规划的结果，确定各单项任务本服务中心是否具有此工艺能力，如果本服务中心具备此工艺能力，则由服务中心进行实施，并将生产制造过程中的信息存入制造任务管理和生产过程监控模块。以供远程用户进行生产过程的监控及生产进度的查询。 如果本服务中心不具备此工艺能力，则需要协同制造企业的支持。服务平台将启动协同制造服务器，进行协同制造企业的规划，根据各企业的制造工艺能力、设备状况和企业的信誉度等，对服务中心不能完成的任务分配到各个协同制造企业中。服务中心和协同制造企业通过在线或离线商务洽谈，以确定协同制造企业是否接受此任务，如果不接受，重新规划；如果接受，进行在线合同签订。并将协同制造企业的信息存入CRM模块中。协同制造企业将生产制造过程的信息及时提交到制造任务管理和生产过程监控模块，以供远程用户进行生产过程的监控及生产进度的查询。具体工艺流程如图1所示。 根据快速模具网络化制造服务平台的工艺流程，结合数字化远程服务的功能需求，快速模具网络化制造服务平台在功能上被划分为：技术研究、典型案例、信息咨询、ASP工具集、客户管理、电子商务、制造服务、协同工具和系统导航九大功能模块。具体内容参见快速模具网络化制造服务平台功能模块图（见图2所示）。 技术研究主要向客户提供快速模具开发制造中的相关专业知识。主要包括技术简介、参考文献、站点链接三部分。远程用户通过技术简介可迅速获取快速模具开发制造的基础知识，并可通过参考文献和站点的链接进一步深入了解相关内容。典型案例就是通过一些典型零件的快速模具的开发制造方法，向远程用户展示快速模具制造在实际中的典型应用，给远程用户以具体的指导。根据零件及制造工艺的复杂程度，分为简单、中等和复杂3种典型案例。技术研究和典型案例主要向用户提供自助式服务。信息咨询模块主要提供RE，CAD/CAE，RP，RT的技术咨询，充分发挥服务中心在快速模具开发制造中的专业和人才优势，帮助客户解决在实际工作中的具体问题。ASP工具集主要包括RE/RP/RT工艺规划器、STL文件检查器、制作方向优化器、支撑自动生成器、分层优化器。RE/RP/RT工艺规划器主要根据零件数量、精度和制作时间等条件自动决策出最优RE，RP，RT实现方法；客户通过STL文件检查器自行对所提交STL文件进行校验并对模型的缺陷进行自动修复；制作方向优化器、支撑自动生成器和分层优化器主要向用户提供对RP的具体工艺参数规划。 客户管理主要包括客户信息的登记和修改、自有客户的维护、客户档案的查询、售后服务的管理。通过客户信息的登记和修改模块可以将远程用户的信息存储到服务中心，并可实现用户对其信息的远程修改；自有客户的维护主要是对那些不能通过Internet进行服务的用户（通过电话、传真等方式联系业务）的信息的维护；客户档案的查询和售后服务的管理主要为服务中心日后与用户业务往来和进行客户关系管理所用。电子商务主要包括在线商务洽谈、在线报价、制作时间的预估和电子合同管理4个功能子模块。通过视频会议系统实现客户与服务方在线商务洽谈；通过成本估计器和时间估计器实现在线报价和生产周期的预估；电子合同管理主要实现在线合同签订、远程用户合同的查询和存储等管理。制造服务由制造任务管理器、协同制造服务器、生产过程监控器和协同制造企业工艺能力管理四大功能子模块组成。 制造任务管理器主要实现任务的登记和管理、零件排队等服务；协同制造服务器主要是将本服务中心不能完成的任务分配到各个协同制造企业中，构建虚拟企业，动态优化资源，实现制造资源的共享，最大潜力发挥各个RE/RP/RT设备能力；生产过程监控器主要是为了保证对用户任务的及时完成而对生产制造的全过程实施监控，采用监控点来不时的获得协同制造企业的最新任务完成情况，对可能出现的差错及时处理，最大限度地降低出错率。协同制造企业工艺能力管理主要对协同制造企业的工艺能力和设备使用状况进行综合的管理，以为协同制造服务器提供规划的依据。在电子商务、制造服务和信息咨询活动中，客户与服务方需要进行信息的时实交流，这主要通过协同工具中的视频会议系统、电子白板系统和文件传输系统来实现。最后，还可通过系统导航模块实现在线帮助、使用指南和问题解答等功能，使远程用户尽快熟练使用本系统，快速排除系统使用过程中的疑难问题。 根据服务平台的工艺流程和系统包括的功能模块，构建了如下快速模具网络化制造服务平台的总体结构框架图和研究与开发路线（如图3所示）。 3 快速模具网络化制造服务平台关键技术的实现 （1）RE/CAD/CAE/RP/RT系统的数据集成 在快速模具制造过程中，数据流起到了重要作用 。但是RE的输出一般为IGES格式，而RP采用的是STL格式，CAD采用的是IGES，DXF，STEP等格式。这种数据格式的不统一造成了系统难以集成。系统需要频繁的进行数据格式的转化，造成精度和效率的损失。因此，本系统采用基于 STEP格式进行数据的集成，采用STEP格式一方面可以提高原型的表面质量，另一方面，由于STEP数据量小，更适宜远程服务。为了提高RE到CAE的效率和精度，开发了RE与CAE直接集成的软件，将反求测量点云数据经过平滑、分段、对接、布尔运算、保精度减缩等处理，用点云数据直接生成STL网格，再由STL网格根据一定的准则和算法划分为有限元网格（如双面算法、Delaunay准则、投影准则），最后进行有限元分析。RE必须实现与CAD的高度集成才能有效发挥两者的功能，开发了基于RE的三维CAD几何模型复构软件。 （2）基于Web的RE/RP/RT多工艺动态规划 根据远程用户提交的任务，服务平台必须规划出最优的RE，RP，RT实现方法，以供后续的快速模具制造成本计算、远程报价、制造生产周期预估和动态资源优化所用。因为对于一个具体的制造任务，快速模具制造过程采用的工艺方法与工艺路线是不同的，一个完整的制造路线是不同技术环节(RE，RP，RT)中的不同工艺方法(如RP技术中SL，SLS，LOM，FDM等，RT技术中的硅橡胶制模、环氧树脂制模、电铸制模、金属喷涂制模、基于RP的精密铸造等)的组合, 各种不同的工艺方法组合制造出的产品的质量、材料、极限数量是截然不同的, 而目前RE, RP, RT各项技术都有多种工艺方法, 每种工艺方法除了有本身的工程特点(精度、表面质量、材料、成本等)以外, 在实施RP&M集成制造与其他技术工艺组合时, 又有其适配的工程特点（如RP与RT工艺组合时其原型材料的消失性、热膨胀特性、与异构材料的亲和性、导电与电解特性等）。在网络化环境下, 这个规划过程需要由服务平台的工艺规划器自动完成。为此开发基于ASP模式的3个选择器即“RE Selector”、“RP Selector” ,和“RT Selector”。根据零件数量、精度和制作时间等条件自动决策选择出最优的RE、RP、RT实现方法，它们以WWW门户网站形式提供给客户。针对快速模具的制造工艺决策与优化是多方案、多目标的特点，首先建立了指标评价体系，然后采用最小加权均方差法进行多目标优化。最后同时考虑零件几何特征对工艺指标的影响，建立了表达零件几何特征映射关系的产生式规则库，并用数据库管理系统实现对数据库和知识库的统一管理和维护。整个工艺规划过程由Java Servlet在服务器端由创成式规划实现。 （3）基于Web的RE/CAD/CAE/RP/RT多工艺生产成本计算及远程报价系统 基于RE/CAD/CAE/RP/RT多工艺生产成本的计算是一个非常复杂的过程。因为远程用户所提交的任务类型不同（实物反求、CAD模型、CAE分析、功能样件、快速模具）、任务的复杂程度不同（简单、中等、复杂）和交货周期不同，造成影响生产成本的因素太多，因此快速模具生产成本的计算是一个多目标、动态、优化计算过程。但是，不管远程用户提交何种任务类型，快速模具的总成本无非就是RE，CAD，CAE，RP，RT各单项成本的叠加组合。所以，根据工艺规划器对所提交任务规划的结果，分别计算出各单项工艺的生产成本，然后对该制造任务的所有单项工艺（可能是RE+CAD+CAE+RP+RT，也可能是CAD+RP+RT，或是RP+RT，总之，就是RE，CAD，CAE，RP，RT各工艺的组合）进行相加，即得到该任务的生产总成本。对于单项工艺成本RE，CAD，CAE，RP，RT因其原理、设备、材料不同，又有不同的计算方法，但是这些技术的报价都可以根据零件的包围盒、材料的价格进行精确的计算。例如，对于光固化快速成型（SLA），通过对其制造成本的分析，可以以模型的加工时间为基础，同时兼顾其他一些较次要的因素，进行成本计算[C=F(K,T);T= s+tf）+ltn]。又如LOM快速成型工艺，可根据零件的包围盒、材料的价格进行精确的计算。为了实现远程报价，还开发了相应的软件平台，以支持向远程用户提供在线报价。 （4）基于Web的RE/CAD/CAE/RP/RT多工艺生产工时计算及生产制造周期预估 基于生产制造成本同样的分析，对于远程用户所提交的任务，生产制造总的时间就是工艺规划器对所提交任务规划的各单项工艺所需时间的总和。因此，开发各单项工艺的时间估计器。即“RE Time Estimator”“RP Time Estimator”和“RT Time Estimator”。例如，对于RP工艺中的光固化成型（SL）的制作时间估计采用基于模型几何特征（一种基于STL文件，RP行业的实际工业标准）的光固化快速原型制作的时间估计算法，利用体积、有效表面积等参数和经过统计分析支撑结构因素来快速的估算模型的制作时间。 （5）制造任务管理及生产过程监控 对于制造任务管理及生产过程监控主要包括协同制造服务器、生产过程监控器和客户进度查询服务3个功能子模块。协同制造服务器就是针对用户所提交的制造任务，根据其时间和价格要求，将本服务中心不能完成的任务分配到各个协同制造企业。服务中心把具体的任务分为RE，CAD，CAE，RP和RT，最后规划出来的时间是这5种任务的某一个或几个的和再加上所有的商业交接时间以及邮寄所花的时间，如果这样的时间总和大于远程用户在制造任务中的时间要求，需要重新规划，或反馈给远程用户信息，需要远程用户进行重新调整。服务中心在实际工艺规划管理与控制中，还必须以下列规划原则作为约束：企业的信誉度；协同制造企业的工艺能力必须空闲； 协同制造企业登记的工艺能力与远程用户提交的任务必须匹配； 协同制造企业的工艺水平；协同制造企业工艺报价尽量最低；远程用户与协同制造企业商务运输线路要合理等。因为整个制造过程对RP&M服务中心而言是在异地协同进行的，这样对制造过程及质量的控制不再是按传统的人工管理方式进行，所以服务中心必须采用了一套完善的时间、质量管理与控制和合同监控方法，一方面协同制造企业需要及时将任务的完成情况提交到服务中心，以供客户对其制造任务的进度进行查询；另一方面采用监控点来不时的获得协同制造企业的最新任务完成情况，对可能出现的差错及时处理，最大限度地降低出错率。监控点是设在每个具体的协同制造企业中。 4 结 论 目前，该系统已在西北快速成形生产力促进中心投入使用。系统运行良好，实现了企业和用户的“双赢”，缩短了模具的开发制造周期。例如，四川长虹集团DVD机面板模具的开发项目，整个项目由四川长虹集团、西北快速成形生产力促进中心、陕西模具工程中心3家异地协同开发单位组成，与传统制造模式相比：开发制造周期缩短了60%，开发费用降低了75%。实践证明，本系统具有功能齐全、可靠性高、运行稳定、便于操作与维护、人机界面友好等特点。当今世界已进入了“信息化、知识化、全球化、市场化”的时代。“数字化和网络化”已成为当今企业最为显著的生产特征。制造企业和客户的分散化和国际化，市场竞争的激烈化，都提出了远程制造服务的需求。笔者以快速模具的开发制造为背景，研究和开发了快速模具网络化制造服务平台，为我国制造业的信息化、网络化做出了有益的探索。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/7/2005)